Studienseminar für Mess- und Regelungstechnik

Seit Jahren wird an einer Schnittstelle zwischen einem Computer und dem menschlichen Gehirn geforscht. Man möchte Geräte mit den Gedanken steuern und so Menschen mit Einschränkungen helfen und ihre Lebensqualität verbessern. Mit Hilfe von Brain Computer Interfaces (BCI) kann eine Informationsübertragung von dem menschlichen Gehirn zu einem technischen Gerät oder Schaltkreis hergestellt werden. Am Institut für elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik wird an einem solchen, kapazitiven System geforscht. Es gibt verschieden Ansätze für solche Systeme. Im Rahmen dieses Vortrags soll die prinzipielle Funktionsweise eines BCIs sowie die Typen von den verschiedenen Brain Computer Interfaces erarbeitet und innerhalb eines Vortrags vorgestellt werden.

Betreuerin: Janine Gläßner, M.Sc.

Das Kalman-Filter ist ein rekursives Schätzverfahren, das in Echtzeitanwendungen weit verbreitet ist. Es ermöglicht die optimale Schätzung von Zuständen eines dynamischen Systems, selbst wenn Messungen verrauscht oder unvollständig sind. Entwickelt ursprünglich für die Raumfahrt und Navigation, findet das Kalman-Filter heute Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen: von der Signal- und Bildverarbeitung über Robotik und autonome Systeme bis hin zu Finanzdatenanalyse und medizinischer Diagnostik. Das Prinzip beruht auf einer Kombination von Modellvorhersage und Messdatenkorrektur, wodurch eine robuste und effiziente Zustandsrekonstruktion erzielt wird. Im Seminarvortrag sollen die mathematischen Grundlagen des Kalman-Filters erläutert und ausgewählte Anwendungsbeispiele vorgestellt werden, die den praktischen Nutzen des Verfahrens verdeutlichen.

Betreuer: Dr.-Ing. Thilo Viereck

Die Detektion einzelner Lichtquanten ist wichtig für die Quantenkommunikation, Fernerkundung usw. Aufgrund ihrer hohen Detektionseffizienz, des außergewöhnlichen Signal-Rausch-Verhältnisses und der schnellen Wiederherstellungszeiten sind supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) zu einer entscheidenden Komponente in diesen Anwendungen geworden. Der Betrieb konventioneller SNSPDs erfordert jedoch kostspielige Kryokühler. In der Veröffentlichung „Single-photon detection using high-temperature superconductors” (I. Charaev et al. Nat. Nanotechn. 18, 343 (2023)) hat eine internationale Gruppe von Forschern den Einzelphotonenbetrieb für zwei Typen von Hochtemperatursupraleitenden Nanodrähten demonstriert. Dieser Vortrag soll eine Einführung in die Grundlagen der SNSPDs enthalten und einige der Perspektiven für die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern in der Photonen-Zählung umreißen.

(gerne auf Englisch)

The detection of individual quanta of light is important for quantum communication, remote sensing еtс. Due to their high detection efficiency, exceptional signal-to-noise ratio and fast recovery times, superconducting-nanowire single-photon detectors (SNSPDs) have become a critical component in these applications. However, the operation of conventional SNSPDs requires costly cryocoolers. In the recent work [1], an international group of researchers has demonstrated single-photon operation for two types of high-temperature superconducting nanowires. This talk will contain a introduction to the foundations of SNSPDs and outline some of the prospects of use of high-temperature superconductors in photon counting.

Betreuer: Prof. Dr. Oleksandr Dobrovolskiy

Kinetic-Inductance Detektoren (KIDs) sind eine Klasse von Detektoren in der modernen Sensorik und Detektionstechnologie. Die Detektion von Photonen beruht auf der Veränderung der kinetischen Induktivität eines Supraleiters, durch die Verstimmung eines damit gebildeten Schwingkreises kann elektromagnetische Strahlung über einen breiten Frequenzbereich erfasst werden. Schwerpunkte des Vortrags sind die Funktionsweise der Detektoren und die vielfältigen Anwendungsbereiche, darunter Astronomie, Quanteninformatik und medizinische Bildgebung.

Betreuer: Marjan Schubert, M.Sc.

Quantum Charge-Coupled Devices (QCCDs) sind eine spezielle Form von Ionenfallen Quantencomputern, welche besonders gut skaliert werden können. In Ionenfallen im allgemeinen werden Einzelionen, zum Beispiel Beryllium- oder Kalziumionen, als Qubits verwendet. Mit diesen Quantencomputern können dann bestimmte Berechnungen durchgeführt werden, welchen mit klassischen Berechnungsmethoden zu aufwändig wären. Das Besondere bei QCCD sist, dass sie modular aufgebaut sind und somit sehr einfach skalierbar sind. Häufig sind diese Module in Berechnungszonen, Speicherzonen und Ladezonen unterteilt, welche in beliebiger Kombination miteinander verbunden werden können.

Betreuer: Marius Neumann, M.Sc.

Heutzutage ist der Operationsverstärker (OPV) in der analogen Elektronik der Universalbaustein der Signalverarbeitung, da sich durch geeignete äußere Beschaltung zahlreiche Funktionen unkompliziert realisieren lassen. Bekannte Anwendungen umfassen z.B. den Spannungsfolger bzw. Impedanzwandler, den nichtinvertierenden und den invertierenden Verstärker. Aufgrund seiner sehr hohen Leerlaufverstärkung, der hochohmigen Eingänge, des niederohmigen Ausgangs sowie der exzellenten Linearität und Gleichtaktunterdrückung entspricht der OPV häufig der Vorstellung eines idealen elektrischen Bauteils. In der Praxis stößt man jedoch zwangsläufig an die Grenzen dieser Idealvorstellungen, denn eine bzw. ist die zentrale Kenngröße – die Leerlaufverstärkung – in Realität nicht unendlich und nimmt zudem mit steigender Frequenz ab. Diese Einschränkungen haben unmittelbare Auswirkungen auf die Stabilität von Verstärkerschaltungen, weshalb fundierte Kenntnisse in der Stabilitätsanalyse für leistungsfähige Schaltungen unerlässlich sind. Im Rahmen des Studienseminars soll daher zunächst die Modellierung der offenen Schleife einer Verstärkerschaltung als Grundlage für Stabilitätsbetrachtungen erfolgen. Es wird erörtert, welche Ursachen Instabilitäten hervorrufen und welche Möglichkeiten es gibt, den OPV-Verstärker zu stabilisieren. Zugleich werden die aus der Modellierung resultierenden Bode-Plots herangezogen, um das theoretische Fundament zu veranschaulichen, während abschließend Simulationen an einem Beispiel die praktische Umsetzung bestätigen.

Betreuer: Florian Wolgast, M.Sc.

Biomoleküle sind in Lebewesen vorkommende biologisch aktive Moleküle, die am strukturellen Aufbau bzw. an Stoffwechselprozessen beteiligt sind. Sensoren für Biomoleküle weisen diese nach, um Krankheiten oder infektiöse Krankheitserreger zu detektieren und somit eine geeignete Therapie zu beginnen bzw. die Verbreitung von Krankheiten einzudämmen. Diese Biosensoren können in vivo (im Lebewesen) bzw. in vitro (anhand einer entnommenen Probe) angewendet werden. 
Im Rahmen des Seminarvortrags soll ein ausgewählter Sensor für Biomoleküle vorgestellt werden. Hierfür soll zunächst ein Überblick gegeben werden, welche Arten von Biomolekülen und Biosensoren es gibt, und im Anschluss sollen die Funktionsweise des ausgewählten Biosensors erläutert und die Ergebnisse seiner Anwendung diskutiert werden. 

Betreuerin: Rebecca Sack, M.Sc.

Bei Quantenkaskadenlasern handelt es sich um Halbleiterlaser, die besonders langwellige Strahlung im mittel- oder ferninfraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums erzeugen. Sie bestehen aus einer periodisch wiederholten Sequenz von verschiedenen Halbleitermaterialien, die Quantentöpfe und -barrieren bilden. Wird die Bandstruktur durch Anlegen der Versorgungsspannung verkippt, gelangen Elektronen durch den Tunneleffekt vom unteren Laserniveau einer Periode ins obere Laserniveau der nächsten, können dort durch stimulierte Emission ein Photon emittieren und dabei ins untere Laserniveau fallen, usw. Dadurch ist die Frequenz der Strahlung nicht mehr direkt von der Bandlücke abhängig, sondern von der Sequenz der Quantentöpfe, und Emission ist auch im ansonsten technisch schwierig beherrschbaren Ferninfrarot- bzw. THz-Bereich möglich. Im Seminarvortrag soll insbesondere die Funktionsweise und Anwendung vorgestellt werden.

Betreuer: Julius Mumme, M.Sc.